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Questa nota applicativa mira a fornire una guida progettuale per la struttura e il layout di vari PCB (circuiti stampati) (come FR4, PCB flessibili o pannelli ITO) utilizzati nella progettazione del sensore capacitivo touch sensing S-TouchTM. Tra i substrati PCB attualmente disponibili sul mercato, FR4 è il più comunemente utilizzato. FR4 è un laminato in resina epossidica rinforzata con fibra di vetro e il PCB può essere PCB a uno strato o multistrato.
Quando le dimensioni del modulo touch sono limitate, non è sempre fattibile utilizzare un PCB monostrato e di solito viene utilizzato un PCB a quattro o due strati. Introdurremo linee guida di layout PCB utilizzando il PCB a due strati più comunemente usato come esempio.
Progettazione e layout PCB
In un PCB a due strati, il controller touch S-TouchTM e altri componenti sono disposti sullo strato inferiore della scheda PCB e gli elettrodi del sensore sono disposti sullo strato superiore del PCB.
Il condensatore di sintonia richiesto per ogni canale del sensore può essere disposto direttamente sullo strato inferiore dell'elettrodo del sensore. Va sottolineato che il controller touch S-TouchTM è disposto sullo strato inferiore e dovrebbe essere garantito che nessun elettrodo sensore sia disposto sullo strato superiore corrispondente. Le aree vuote sugli strati superiori e inferiori possono essere riempite con fogli di rame a maglia rettificati.
Norme di progettazione
Il primo piano (strato superiore)
L'elettrodo del sensore si trova sullo strato superiore del PCB (l'estremità superiore del PCB è fissata con la scheda di sovrapposizione). Per aumentare la sensibilità, si consiglia di utilizzare un elettrodo sensibile con una dimensione di 10 x 10 mm. È possibile utilizzare un elettrodo sensibile di dimensioni inferiori, ma la sensibilità sarà ridotta. Allo stesso tempo, si raccomanda che la dimensione dell'elettrodo sensibile non superi 15 x 15 mm. Se l'elettrodo sensibile supera questa dimensione, non solo ridurrà la sensibilità, ma aumenterà anche la suscettibilità al rumore.
L'area vuota può essere riempita con un foglio di rame macinato (la larghezza della traccia è di 6 mil e la dimensione della griglia è di 30 mil).
Lo strato superiore può essere utilizzato per stabilire tracce di segnale comuni (escluse le tracce del segnale del sensore). Le tracce del segnale del sensore dovrebbero essere posate il più possibile sullo strato inferiore.
La distanza tra l'elettrodo sensibile e il foglio di rame di messa a terra deve essere di almeno 0,75 mm.
2 ° piano (inferiore)
Il controller S-TouchTM e altri componenti passivi devono essere progettati e disposti sullo strato inferiore.
La traccia del segnale del sensore sarà posizionata sullo strato inferiore. Non instradare le tracce del segnale del sensore di un canale sotto gli elettrodi di rilevamento di altri canali di rilevamento.
L'area vuota può essere riempita con un foglio di rame macinato (la larghezza della traccia è di 6 mil e la dimensione della griglia è di 30 mil).
La distanza tra la traccia del segnale del sensore e la lamina di rame di messa a terra dovrebbe essere almeno il doppio della larghezza della traccia del segnale del sensore.
Per ridurre la conversazione incrociata, la distanza tra i due elettrodi sensibili/tracce del segnale di rilevamento dovrebbe essere aumentata il più possibile. Ove possibile, aggiungere fogli di rame macinati tra i due elettrodi sensibili/tracce di segnale sensibile.
La lunghezza della traccia del segnale del sensore non deve essere esattamente la stessa lunghezza. A causa dell'uso di condensatori di sintonizzazione corrispondenti, la capacità di ingresso tra i due canali può essere bilanciata. Tuttavia, quando lo spazio PCB lo consente, è meglio utilizzare tracce di segnale del sensore di uguale lunghezza (anche la dimensione degli elettrodi del sensore è uniforme). In questo modo, per regolare i valori di reattività capacitiva del sensore di tutti i canali di rilevamento all'interno della gamma dinamica del sensore di rilevamento, è necessario impostare un solo condensatore di riferimento standard, che semplifica la difficoltà di progettazione.
Eventuali tracce di orologio, dati o segnale periodico non devono essere poste parallele e adiacenti alle tracce del segnale del sensore. Queste linee di segnale dovrebbero essere il più perpendicolari possibile alle tracce del segnale del sensore, o disposte in altre aree del PCB.
Se l'orologio, i dati o le tracce periodiche del segnale devono essere instradate parallelamente alle tracce del segnale del sensore, devono essere disposte su strati diversi e non possono sovrapporsi e la lunghezza della parte parallela delle tracce del segnale dovrebbe essere accorciata il più possibile.
lamina di rame di messa a terra
Nella precedente introduzione al PCB FR4 a due strati, la lamina di rame messa a terra è stata utilizzata per riempire l'area della sezione trasversale vuota del PCB. Il foglio di rame di messa a terra può aiutare il modulo touch a proteggere la sorgente di rumore esterna e può anche stabilizzare la capacità intrinseca del circuito del sensore.
Tuttavia, ci sono diversi problemi a cui è necessario prestare attenzione in anticipo quando si utilizza un foglio di rame macinato. Questo perché la lamina di rame messa a terra aumenta la capacità intrinseca del sensore e aumenta anche la possibilità di rilevamento falso a causa di gocce d'acqua.
Guida alla progettazione del foglio di rame di messa a terra:
Si consiglia di utilizzare un foglio di rame di messa a terra a maglia invece di un foglio di rame solido di messa a terra. Si consiglia di utilizzare un foglio di rame macinato a maglia del 20% (larghezza di 6 mil e dimensione di maglia di 30 mil). L'angolo del foglio di rame di messa a terra dovrebbe essere impostato a 45°.
La distanza tra il sensore e la lamina di rame messa a terra deve essere di almeno 0,5 mm e si raccomanda di 0,75 mm.
Lo spazio tra la traccia del segnale del sensore e la lamina di rame di messa a terra dovrebbe essere almeno il doppio della larghezza della traccia.
Per un PCB a quattro strati, se la traccia del segnale del sensore sul terzo strato è superiore a 10 cm, al fine di ridurre al minimo il carico capacitivo della traccia lunga, si consiglia di non posare fogli di rame a terra sullo strato inferiore.
Se per il pannello di rivestimento vengono utilizzati alcuni materiali conduttivi, si consiglia di non posare fogli di rame macinati sullo strato superiore.
Se il sistema di rilevamento capacitivo deve funzionare in un ambiente umido, si consiglia di non posare fogli di rame macinati sullo strato superiore.
Descrizione e guida della funzione di base del sensore
L'elettrodo del sensore di capacità si riferisce a una piastra conduttiva dell'elettrodo utilizzata per misurare la capacità del dito. È collegato al terminale di ingresso del canale di rilevamento del controller S-TouchTM. Gli elettrodi sensori possono essere realizzati in varie forme geometriche e dimensioni per avere funzioni e applicazioni diverse.
Pulsante touch
La funzione di base del pulsante touch è quella di rilevare se c'è un dito che lo tocca. Il controller S-TouchTM può misurare la capacità dell'elettrodo sensibile del pulsante touch. Se il dito è relativamente vicino al pulsante touch, quando la variazione di capacità misurata supera una soglia preimpostata, verrà rilevata l'occorrenza di un tocco del dito.
Il pulsante touch può essere progettato in varie forme, come quadrato, cerchio, triangolo o altre forme. Se le dimensioni del PCB sono limitate, la forma del pulsante dovrebbe essere progettata per massimizzare l'uso dello spazio al fine di fornire la migliore sensibilità.
Per applicazioni coperte da un guscio di plastica acrilica da 2 a 3 mm, si consiglia di utilizzare un elettrodo sensore quadrato con una dimensione minima di 10 x 10 mm. Si raccomanda che la dimensione massima non superi 15 x 15 mm. Se supera questa dimensione, non solo la sensibilità non può essere migliorata, ma anche la sensibilità al rumore è aumentata.
Toccare il cursore
La funzione di base del cursore touch è quella di rilevare la posizione di scorrimento del dito in direzione unidimensionale.
Una delle applicazioni tipiche del cursore touch è per il controllo del volume. Due metodi possono essere utilizzati per implementare il cursore touch: cursore di stato touch e cursore del misuratore di rapporto.
I pulsanti touch quadrati sono disposti strettamente insieme in ordine, che possono essere progettati come una barra scorrevole touch state.
Quando viene rilevato che un determinato canale del sensore è acceso, è possibile determinare la posizione del dito sul cursore touch. Nell'esempio precedente vengono utilizzati 5 sensori per rilevare 9 posizioni. Se i canali S1 e S2 sono accesi contemporaneamente, significa che la posizione del dito è in posizione 2.
Per applicazioni coperte da un guscio di plastica acrilica da 2 a 3 mm, si consiglia di utilizzare un elettrodo sensore di dimensioni minime di 10 x 10 mm. Il valore di spazio raccomandato tra i sensori a cursore è di 0,75 mm. Lo spazio tra due elettrodi di rilevamento adiacenti non deve superare 1 mm. Questo per garantire che quando il dito è esattamente nello spazio, i due canali del sensore possano essere aperti contemporaneamente.
Il vantaggio del cursore touch state è il suo design semplice e l'alta stabilità in un ambiente rumoroso. Tuttavia, se è necessario un gran numero di posizioni, questo metodo non può essere implementato a causa della necessità di troppi canali di sensori.
Un altro metodo è quello di utilizzare il cursore di misurazione proporzionale. Questo metodo non viene implementato rilevando lo stato di tocco su ciascun canale del sensore, ma determinando la posizione del dito in base all'esatto cambiamento di capacità misurato da ciascun canale del sensore. Quando viene misurata l'esatta variazione di capacità di ciascun canale di rilevamento, la posizione esatta del dito viene determinata calcolando il rapporto.
Un tocco del dito nella posizione di cui sopra causerà l'aumento della capacità dei tre elettrodi del canale di rilevamento. A causa della differenza nell'area coperta dal dito, anche il valore di capacità aggiunto da ciascun sensore è diverso. Quindi, elaborando i dati grezzi di capacità del sensore, si può ottenere la posizione assoluta del dito sul cursore.
touch spinner
Come la barra scorrevole, anche il rotatore touch è implementato in base al metodo di misurazione dello stato tattile e del rapporto.
Lo spinner che applica il metodo touch state determina la posizione del dito controllando lo stato di ogni canale di rilevamento. Il rotatore, che utilizza il metodo di misura proporzionale, determina la posizione del dito misurando l'esatta capacità di ogni canale di rilevamento aumentata a causa del tocco del dito. Quando un dito rotola sul filatore, provoca l'aumento della capacità di diversi canali di rilevamento. Quindi, calcolando il valore di capacità aggiunto da questi canali di rilevamento, si può calcolare la posizione esatta del tocco del dito.
La stabilità del rotatore touch per il rilevamento del tocco delle dita dipende dalla risoluzione richiesta e dal numero di canali di rilevamento. Per un rotatore touch ad alta risoluzione, potrebbe essere necessario utilizzare più canali di rilevamento invece di soli tre canali di rilevamento.
Altre considerazioni
Seguire queste linee guida di progettazione di base per la progettazione e il layout PCB può rendere le applicazioni di rilevamento capacitivo più affidabili. Nella progettazione di PCB, dovrebbero essere considerati altri fattori importanti, tra cui:
Non c'è piastra galleggiante/piastra polare sulla scheda PCB. L'area vuota del PCB può essere riempita con pellicola di rame messa a terra o lasciata vuota.
Il PCB dovrebbe essere progettato in modo che il valore di capacità di riferimento richiesto sia inferiore a 20 pF (il valore di capacità di riferimento è determinato durante la regolazione hardware) e la capacità intrinseca di ogni canale dovrebbe essere inferiore a 10 pF. Se è superiore a questo valore, è necessario modificare alcuni layout di base, come ridurre la densità del foglio di rame di messa a terra, espandendo la distanza tra la traccia/elettrodo di ingresso sensibile e la lamina di rame di messa a terra, riducendo la larghezza della traccia del segnale del sensore o anche rimuovendo la lamina di rame di messa a terra. Se il valore massimo della capacità di ingresso sensibile supera 10 pF, è necessario utilizzare un condensatore di sintonizzazione per le impostazioni corrispondenti.
Provare a controllare la differenza nella capacità intrinseca tra ogni canale di rilevamento entro 10 pF (questa differenza può essere misurata durante la regolazione hardware). Se supera i 10 pF, è necessario ridurre la disallineazione tra la lunghezza della traccia e la dimensione dell'elettrodo del sensore per ridisegnare al fine di ridurre al minimo la differenza.
Installare resistenze di serie nelle linee SDA e SCL I2C al fine di filtrare le interferenze di rumore causate dal cablaggio che collega la scheda madre e il modulo touch, o interferenze da rumore di alimentazione che possono causare distorsioni del segnale I2C.
